АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 2, с. 120-138
УДК 523-1/8
ЛЕТУЧИЕ КОМПОНЕНТЫ В ОБРАЗЦАХ ЛУННОГО РЕГОЛИТА. ОБЗОР
© 2014 г. А. В. Иванов
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва Поступила в редакцию 08.11.2012 г.
Обобщены литературные данные по содержанию летучих компонентов в лунном реголите, характеристике вероятных источников этих летучих и возможным процессам их миграции и захоронения. Основными источниками летучих компонентов в реголите являются солнечный ветер, малые тела Солнечной системы (кометы, метеориты) и лунные недра, причем для различных летучих ведущими являются разные источники. Накопление воды и других летучих компонентов на поверхности и в близповерхностных слоях Луны возможно только в так называемых холодных ловушках в полярных бассейнах, где наряду со льдом воды должно происходить также накопление ряда других летучих компонентов, включая весьма токсичные, типа, например, ртути и кадмия. Содержание летучих в лунных недрах может быть сопоставимо с таковым в земных породах. Вода могла играть важную роль на ранних этапах лунной истории, например, при формировании морских базальтов. Изотопный состав лунной ювенильной воды близок земному, что позволяет предполагать одинаковое происхождение воды Земли и Луны.
DOI: 10.7868/S0320930X14020030
ВВЕДЕНИЕ
Еще 30 лет назад Луна представлялась практически безводным телом, крайне обедненным летучими компонентами. Так, в вышедшей в 1981 г. книге "Очерки сравнительной планетологии" при рассмотрении геохимических особенностей магматических пород лунной коры в первую очередь отмечалось "отсутствие в лунных породах воды и практическое отсутствие обычных летучих компонентов типа соединений углерода, серы и т.п." (Флоренский и др., 1981, с. 48).
Представления о безводности Луны базировалось в первую очередь на результатах изучения образцов лунного вещества, доставленных американскими экспедициями Apollo и советскими автоматическими станциями Луна, — там не были обнаружены минералы, содержащие Н2О и ОН-, а также СО2 (см., например, Papike и др., 1991). Единственным возможным исключением предполагались постоянно затененные участки в районе полюсов, где допускалось присутствие льда воды, который накапливался в этих холодных ловушках при поступлении паров воды различного происхождения (Watson и др., 1961).
Диссонансом прозвучало сообщение Ахмано-вой с коллегами (1978) об обнаружении методом ИК-спектроскопии в образцах реголита колонки Луны-24 воды в количестве около 0.1 мас. % (1000 ppm). Авторы работы не исключали возможности загрязнения вещества при его транс -портировке и хранении, но отметили, что в ранее изученных ими образцах реголита из сборов Лу-
ны-16 и -20 и Apollo-11, -12 и -15 следов воды обнаружено не было, правда, при более низкой чувствительности метода. Колонка реголита Луны-24, отобранная в Море Кризисов, обладает хорошо выраженной слоистостью, и авторы исследования отметили слабо выраженную тенденцию возрастания содержания воды по глубине колонки. Здесь уместно обратить внимание на то обстоятельство, что Море Кризисов является районом интенсивного проявления так называемых "кратковременных лунных явлений" (см. ниже раздел "Современная эндогенная активность"). В свое время статья Ахмановой и др. (1978) не привлекла внимания исследователей, но в настоящее время, по прошествии трех с лишним десятилетий, ситуация меняется (Crotts, Hümmels, 2009).
Результаты исследований последних двух десятилетий, проведенных с использованием более чувствительных и более локальных методов анализа, заметно изменили наши представления о присутствии воды на Луне. Сейчас присутствие воды и ряда других летучих компонентов достаточно надежно идентифицируется в различных лунных резервуарах.
Вода в лунном реголите может присутствовать в нескольких различных резервуарах. 1. Свободная вода, присутствующая в виде льда на поверхности и в толще реголита. 2. Н2О и/или ОН в тонком миллиметровом слое на большей части поверхности Луны. 3. Структурно-связанная вода, входящая в состав некоторых минералов в форме
Таблица 1. Содержание редких газов в образцах лунных морских базальтов и в образцах тонкой фракции реголита и реголитовых брекчий из сборов экспедиций Apollo-11 и -12. По данным (Haskin, Warren, 1991)
Экспедиция Тип вещества Содержание, мин.—макс.
He, ppm Ne, ppm Ar, ppm Kr, ppb Xe, ppb
Apollo-11 Apollo-12 Базальты Реголит и брекчии Базальты Реголит и брекчии 0.0192-0.47 19.6-84 0.026-0.089 14-68 0.00017-0.1270 1.93-10.7 0.00047-0.0091 1.20-6.0 0.0280-0.194 1.28-12.3 0.0114-0.036 0.47-4.6 0.00079-0.104 1.05-3.2 0.00086-0.0051 0.065-1.32 0.00111-0.102 0.47-3.8 0.00058-0.0038 0.090-0.62
Н2О и/или ОН. 4. Вода, присутствующая в форме примесей и расплавных включений в минералах.
Первые два из перечисленных резервуаров детально рассмотрены в статье Базилевского с коллегами, опубликованной недавно в этом журнале (Базилевский и др., 2012). В настоящей публикации рассматриваются результаты исследования воды и других летучих компонентов в лунных образцах, доставленных на Землю экспедициями Apollo и автоматическими станциями Луна.
ЛЕТУЧИЕ В ЛУННЫХ ОБРАЗЦАХ
Гелий и другие благородные газы в реголите
Для Не и других благородных газов (Ne, Ar, Kr, Xe) характерны повышенные содержания в реголите и в реголитовых брекчиях по сравнению с таковыми в первичных магматических породах, по которым образован данный реголит. Причем эти различия составляют 2—3 порядка величины (табл. 1). Принципиальное значение имеет изотопный состав благородных газов, поскольку он зависит от экспозиционной истории лунного реголита и позволяет количественно оценить время пребывания материала на лунной поверхности.
Важнейшей характеристикой реголита является зрелость, т.е. степень изменения вещества под воздействием экзогенных факторов — метеоритной и микрометеоритной бомбардировки и солнечного и космического излучения. Для оценки зрелости используются различные параметры реголита: содержание и состав редких газов и некоторых других элементов, плотность треков, содержание агглютинатов и так называемый индекс зрелости, определяемый как отношение интенсивности ферромагнитного резонанса Is к содержанию общего железа, выраженному как FeO. Последний параметр обычно рассматривается как наиболее точное отражение зрелости (Morris, 1976).
Среднее содержание Не в мелкой фракции лунного реголита и в реголитовых брекчиях колеблется в пределах 10—50 ppm (табл. 1), причем наибольшее содержание наблюдается в образцах Apollo-11. Содержание других благородных газов ниже на 1—2 порядка. Соотношение двух стабиль-
ных изотопов элемента 4Не/3Не в образцах реголита из разных сборов составляет (2.4—2.7) х 103 (Eberhardt и др., 1970a; Виноградов, Задорожный, 1974; Bogard, Hirsch, 1975; Задорожный, Иванов, 1980).
Содержание гелия в образцах лунного реголита контролируется рядом факторов. Прежде всего следует отметить прямую зависимость содержания Не от зрелости образца. Это объясняется разрушением кристаллической решетки минералов и аморфизацией поверхности в результате длительного воздействия космического облучения, в первую очередь протонов солнечного ветра, что облегчает проникновение гелия в вещество. Этот же эффект определяет приуроченность гелия к поверхностным слоям реголитовых частиц. Так, методом последовательного травления поверхности частиц ильменита было установлено, что подавляющая часть гелия концентрируется в поверхностном слое частиц толщиной порядка 0.2 мкм (Eberhardt и др., 1970b). Естественно, содержание гелия возрастает с возрастанием удельной поверхности частиц, т.е. с уменьшением их размеров. Так, до 80% гелия содержится во фракции размером менее 50 мкм, которая составляет около 50% реголита, и лишь около 10% приходится на фракцию размером крупнее 100 мкм (Taylor, 1994). Следует отметить, что определяемое зрелостью реголита содержание гелия возрастает только до определенного уровня насыщения в связи с постоянной эрозией поверхности под действием солнечного излучения и потерей верхних, наиболее богатых газами слоев. Этот уровень квазиравновесия достигается за несколько десятков лет (Taylor, 1994).
Четко прослеживается связь содержания гелия с минеральным составом образцов. Как отмечено выше, наибольшее содержание гелия отмечено в реголите Apollo-11, образованном по высокотитанистым ильменитовым базальтам. Предполагается, что эта закономерность обусловлена большей устойчивостью ильменита при отмеченных выше микроэрозионных процессах.
В настоящее время особый интерес вызывает малораспространенный изотоп 3Не, поскольку он рассматривается некоторыми исследователями в
Таблица 2. Содержание водорода, углерода и азота в различных типах лунных пород из сборов экспедиций Apollo. Поданным (Fegley, Swingle, 1993)
Элемент Тип вещества Число анализов Содержание, ppm
мин. макс. среднее ± 1а
H Реголит 89 0.2 120 46 ± 22
Брекчии 23 1 101 28 ± 28
Базальты 36 <0.6 12 2.7 ± 2.4
C Реголит 344 2.5 280 124 ± 45
Брекчии 75 5 385 93 ± 73
Базальты 28 5.3 70 26 ± 20
N Реголит 229 4 242 81 ± 37
Брекчии 34 1.8 136 61 ± 40
Базальты 28 0.1 127 19 ± 38
Таблица 3. Содержание водорода в образце реголита 10084 как функция размеров зерен. По данным (Fegley, Swingle, 1993)
Гранулометрическая фракция, мкм Содержание водорода, ppm (±1а) Гранулометрическая фракция, мкм Содержание водорода, ppm (±1а)
<20 133 ± 25 150-250 22 ± 18
20-45 32 ± 4 250-500 17 ± 2
45-75 29 ± 8 500-1000 5 ± 5
75-90 25 ± 8 - -
90-150 18 ± 4 Весовое среднее 52 ± 7
качестве перспективного источника термоядерной энергии, которая сможет покрыть существенную часть энергетических потребностей человечества во второй половине 21 столетия (Тейлор, Калсин-ский, 1999; Галимов, 2004).
Водород, углерод и азот в реголите
Специфической трудностью при определении содержания в лунных образцах углерода и азота, также как и воды, является возможность земной контаминации — загрязнения газами земной атмосферы (N2, H2O, CO2) при транспортировке, хранении и исследовании (см., например, Becker и др., 1976; Gibson
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.